專利名稱：一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，涉及有機(jī)化學(xué)的一般方法、為產(chǎn)生和保持機(jī)器或設(shè)備的有效運(yùn)行的一般措施和其它類目不包括的熱的產(chǎn)生技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣站場(chǎng)是天然氣管道傳輸中重要的部分，站場(chǎng)設(shè)備是輸氣生產(chǎn)正常進(jìn)行的保障。然而許多站場(chǎng)由于節(jié)流膨脹產(chǎn)生的溫降及外界環(huán)境溫度的下降，導(dǎo)致站場(chǎng)一些關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)生冰堵，嚴(yán)重地影響了站場(chǎng)輸氣生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行。節(jié)流膨脹是氣體通過(guò)多孔塞或閥門從高壓到低壓作不可逆絕熱膨脹時(shí)溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。在常溫下，許多氣體在膨脹后溫度降低，稱為冷效應(yīng)或正效應(yīng)。對(duì)于理想氣體，經(jīng)絕熱節(jié)流過(guò)程后，溫度應(yīng)不變。對(duì)于實(shí)際氣體，經(jīng)絕熱節(jié)流過(guò)程后，溫度可能降低、升高或不變，分別稱為正的、負(fù)的或零焦耳-湯姆孫效應(yīng)。焦耳-湯姆孫效應(yīng)是實(shí)際氣體偏離理想氣體的結(jié)果。節(jié)流效應(yīng)是由于壓力突降引起溫度降低產(chǎn)生冰凍的現(xiàn)象，屬于正的焦耳-湯姆遜效應(yīng)。節(jié)流過(guò)程中溫降的大小與節(jié)流前的溫度、節(jié)流前后的壓差有關(guān)。在場(chǎng)站輸氣中，管線天然氣溫度與外界環(huán)境有關(guān)，節(jié)流前后的壓差大小由于調(diào)壓閥閥后壓力恒定故與管線輸送介質(zhì)壓力有關(guān)。因此，在冬季運(yùn)行過(guò)程中，管線輸送介質(zhì)溫度低，在輸送壓力高的情況下極易產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。同時(shí)由于某些設(shè) 備流道直徑過(guò)小(如RMG調(diào)壓閥指揮器流道直徑I 2mm，MOKVELD RZD型流量調(diào)節(jié)閥籠筒小孔直徑3 5mm)，加之復(fù)線投用不久管線中含有較多雜質(zhì)，導(dǎo)致出現(xiàn)了嚴(yán)重的冰堵現(xiàn)象。容易出現(xiàn)冰堵的站場(chǎng)設(shè)備主要有調(diào)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)口球閥、高級(jí)孔板閥、安全切斷閥及出口球閥等。目前站場(chǎng)應(yīng)對(duì)設(shè)備冰堵主要通過(guò)外加熱的方法，如CN201731704U公開了一種新型的防冰堵裝置，可用于站場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行外加熱防冰堵。但是這種外加熱防冰堵方法非常不節(jié)能減排，對(duì)于壁厚的設(shè)備效果亦不明顯，還會(huì)增加站場(chǎng)的潛在安全隱患。CN101817980A公開了一種氧化硅超疏水薄膜的溶膠凝膠制備方法，并具體公開了將具有較強(qiáng)疏水性的燒基燒氧基娃燒與甲基二氧燒氧基娃燒混合后溶于溶劑中，經(jīng)由酸、堿催化劑兩步催化水解得到帶疏水基團(tuán)氧化硅溶膠，然后制備薄膜。CN101481081A公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水薄膜的制備方法，具體公開了將超疏水膜基體表面涂布粘結(jié)劑，形成粘結(jié)層，將具有低表面能或/和經(jīng)物質(zhì)修飾的微米級(jí)粉粒和納米級(jí)粉粒混合均勻?yàn)⒃谡辰Y(jié)層表面，使粘結(jié)劑固化制得復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水膜。該兩種超疏水薄膜的有機(jī)溶液不易實(shí)現(xiàn)霧化，不易應(yīng)用于管道輸送。因此急需一種節(jié)能減排、安全易行的天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法和技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的發(fā)明一種節(jié)能減排、安全易行的天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法?！N天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，使用化學(xué)改性劑對(duì)天然氣站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面進(jìn)行直接改性，形成一層疏水或超疏水納米膜，增加水在站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面的接觸角，導(dǎo)致水無(wú)法結(jié)晶形成冰附著在設(shè)備內(nèi)表面上，達(dá)到防止冰堵的目的。其原理如下所述(I)水形成冰凍的過(guò)程，可以看作為水分子結(jié)晶成冰的一個(gè)過(guò)程；(2)水分子結(jié)晶的形核功假設(shè)為AG0，則在站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面水分子結(jié)晶成冰的形核功AG = f ( Θ ) AG0，其中f ( Θ ) = (2+cos Θ ) (l-Cos 0)2/4, Θ為水在站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面的接觸角；(3)天然氣站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面水的接觸角一般為30 40°，若將設(shè)備內(nèi)表面改性成疏水性表面(Θ —般為90 120° )或超疏水性表面(Θ為150 170° )，水在改性后內(nèi)表面的結(jié)晶成冰形核功將大大增加，水無(wú)法形核結(jié)晶形成冰凍。取未改性的站場(chǎng)內(nèi)表面接觸角Θ1 = 30° (圖I)，則其水分子結(jié)晶成冰的形核功AGl = f(0 I) Λ GO = 0.01286 Λ GO。取疏水改性的站場(chǎng)內(nèi)表面接觸角Θ2 = 90° (圖2)，則形核功AG2 = f(0 2) AGO =O. 5AG0。取超疏水改性的站場(chǎng)內(nèi)表面接觸角Θ 3 = 150° (圖3)，則形核功AG3 = f ( Θ 3) AGO = O. 98714 Λ G0。接觸角越大，形核功越大，越難結(jié)晶成冰。Λ G2/Λ Gl = 38. 88，疏水改性的內(nèi)表面是未改性的內(nèi)表面形核功的38. 88倍。AG3/AG1 = 76. 76，超疏水改性的內(nèi)表面是未改性的內(nèi)表面形核功的76. 76倍。所以經(jīng)過(guò)疏水和超疏水改性可阻止水在設(shè)備內(nèi)表面上形核，使水無(wú)法結(jié)晶形成冰凍，達(dá)到防止冰堵的目的。具體實(shí)施步驟如下(I)將站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面用5 10m/s高速氣流進(jìn)行沖刷I 2個(gè)小時(shí)，清除可能存在的容易脫落的表面層附著微塵等雜質(zhì)；(2)將高速氣流沖刷過(guò)的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度為50 80%的環(huán)境中放置I 2天；(3)將12 18個(gè)碳鏈的長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷溶于正戊烷、正己烷、環(huán)己烷、正庚烷有機(jī)溶劑，形成40 80wt. %溶液；(4)將短烷基三甲氧基硅烷(甲基和乙基三甲氧基硅烷)與12 18個(gè)碳鏈的長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷，按摩爾比為0.05 I 0.2 I的比例先后溶于有機(jī)溶劑(正戊烷、正己烷、環(huán)己烷、正庚烷)形成40 80wt. %溶液；(5)將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度50 80%的環(huán)境中放置I 2天后，形成可防冰堵的疏水納米膜；(6)將短烷基與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度50 80%的環(huán)境中放置I 2天后，形成可防冰堵的超疏水納米膜。本發(fā)明中使用的短燒基二甲氧基娃燒及短燒基和長(zhǎng)燒基二甲氧基娃燒有機(jī)溶液，無(wú)毒環(huán)保型、密度低，容易實(shí)現(xiàn)霧化、易于應(yīng)用管道輸送，能與天然氣管道內(nèi)壁形成化學(xué)鍵的結(jié)合，在站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面能形成一層致密穩(wěn)定的疏水和超疏水可防冰堵納米膜。而形成的這層膜僅為幾納米到數(shù)十納米的厚度，根本不會(huì)改變?cè)O(shè)備內(nèi)孔尺寸和形狀，不會(huì)影響設(shè)備的正常工作。這種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法實(shí)施簡(jiǎn)單、持續(xù)有效時(shí)間較長(zhǎng)、節(jié)能減排、安全環(huán)保。


圖I水在不同接觸角表面形核結(jié)晶示意圖(接觸角Θ = 30° )圖2水在不同接觸角表面形核結(jié)晶示意圖(接觸角Θ = 90° )
圖3水在不同接觸角表面形核結(jié)晶示意圖(接觸角Θ = 150° )圖4在-15°C速凍20分鐘條件下水滴在不同表面上結(jié)晶成冰情況圖(未改性表面)圖5在_15°C速凍20分鐘條件下水滴在不同表面上結(jié)晶成冰情況圖(疏水改性表面)圖6在_15°C速凍20分鐘條件下水滴在不同表面上結(jié)晶成冰情況圖(超疏水改性表面)圖7模擬試樣表面疏水和超疏水改性前后SEM圖(疏水改性前)
圖8模擬試樣表面疏水和超疏水改性前后SEM圖(疏水改性后)圖9模擬試樣表面疏水和超疏水改性前后SEM圖(超疏水改性前)圖10模擬試樣表面疏水和超疏水改性前后SEM圖(超疏水改性后)圖11模擬試樣表面超疏水改性后SEM圖(右上角為接觸角示意圖)
具體實(shí)施例方式實(shí)施例.取天然氣管道鋼塊表面作為站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面模擬試樣。將模擬試樣表面用高速氣流(6m/s)進(jìn)行沖刷I個(gè)小時(shí)，清除可能存在的容易脫落的表面層附著微塵等雜質(zhì)。將高速氣流沖刷過(guò)的模擬試樣表面，在濕度為80%的環(huán)境中放置2天。將十二烷基三甲氧基硅烷溶于正己烷，形成50wt. %溶液。將甲基三甲氧基硅烷與十二烷基三甲氧基硅烷，按摩爾比為O. I I的比例先后溶于正己烷形成50wt.%溶液。然后將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的模擬試樣表面，在濕度80%的環(huán)境中放置2天后，形成可防水結(jié)晶成冰的疏水納米膜。同時(shí)將短烷基與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的模擬試樣表面，在濕度80%的環(huán)境中放置2天后，形成防水結(jié)晶成冰的超疏水納米膜。本實(shí)施例得到的疏水改性和超疏水改性模擬試樣，未改性的試樣表面接觸角平均值為35°，疏水改性的試樣表面接觸角平均值為103°，超疏水改性的試樣表面接觸角平均值為158°。在_15°C速凍20分鐘條件下疏水和超疏水表面的水滴均沒有結(jié)晶成冰，而未改性的模擬試樣_15°C速凍20分鐘后表面水滴全部結(jié)晶成冰(圖4-圖6);在-15°C速凍環(huán)境中，將模擬試樣傾斜放置(與水平夾角約30° )，用過(guò)冷水(I 4°C)細(xì)流沿不同試樣表面淌下，未改性的模擬試樣表面馬上出現(xiàn)結(jié)冰，而疏水和超疏水改性的模擬試樣表面細(xì)流直接流出表面、未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。結(jié)果說(shuō)明模擬試樣表面形成疏水和超疏水納米膜具有良好的防冰凍性能，本方法在天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵上可行。通過(guò)掃描電鏡觀察可發(fā)現(xiàn)，在微米尺度里模擬試樣表面沒有明顯變化(圖7-圖10)。從圖11可以看到，超疏水表面改性后，在試樣表面形成了僅為數(shù)十納米的超疏水結(jié)構(gòu)膜。而疏水改性的更薄，僅是一層幾納米的疏水分子膜。說(shuō)明表面改性沒有改變站場(chǎng)設(shè)備表面的幾何工作條件，不會(huì)影響站場(chǎng)設(shè)備正常工作。而本方法涉及的具體實(shí)施環(huán)境與存在冰堵的天然氣管道環(huán)境類似，且使用的表面化學(xué)改性劑密度低、易霧化，所以也可應(yīng)用于減緩天然氣管道的冰堵問(wèn)題。
權(quán)利要求
1.一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，其特征在于用化學(xué)改性劑對(duì)天然氣站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面進(jìn)行直接改性，形成一層疏水或超疏水納米膜，增加水在站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面的接觸角，導(dǎo)致水無(wú)法結(jié)晶形成冰附著在設(shè)備內(nèi)表面上；實(shí)施步驟是 (1)將站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面用5 lOm/s的高速氣流進(jìn)行沖刷I 2個(gè)小時(shí)，清除可能存在的容易脫落的表面層附著微塵等雜質(zhì)； (2)將高速氣流沖刷過(guò)的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度為50 80%的環(huán)境中放置I 2天; (3)將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷溶于有機(jī)溶劑，形成40 80wt.%溶液； (4)將短烷基三甲氧基硅烷與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷，按摩爾比為O.05 I 0.2 I的比例先后溶于有機(jī)溶劑形成40 80wt. %溶液； (5)將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度50 80%的環(huán)境中放置I 2天后，形成可防冰堵的疏水納米膜； (6)將短烷基與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度50 80%的環(huán)境中放置I 2天后，形成可防冰堵的超疏水納米膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，其特征在于所述有機(jī)溶齊U為正戊烷、正己烷、環(huán)己烷、正庚烷。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，其特征在于所述短烷基二甲氧基娃燒為甲基和乙基二甲氧基娃燒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法，其特征在于所述長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷為碳鏈長(zhǎng)度12到18的烷基三甲氧基硅烷。
全文摘要
本發(fā)明是一種天然氣站場(chǎng)設(shè)備防冰堵的方法。它是用化學(xué)改性劑對(duì)站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面進(jìn)行直接改性，形成一層疏水或超疏水納米膜，增加水在設(shè)備內(nèi)表面的接觸角，使水無(wú)法結(jié)晶形成冰。其方法為將站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面用高速氣流沖刷；將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷溶于有機(jī)溶劑，形成40～80wt.％溶液；將短烷基三甲氧基硅烷與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷，按摩爾比為0.05∶1～0.2∶1的比例先后溶于有機(jī)溶劑形成40～80wt.％溶液；將長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面；將短烷基與長(zhǎng)烷基三甲氧基硅烷有機(jī)溶液涂覆于處理后的站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面，在濕度50～80％的環(huán)境中放置1～2天，形成超疏水納米膜。本方法節(jié)能減排、安全易行。
文檔編號(hào)F17D5/00GK102818118SQ201110156349
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者郭海峰, 張志恒, 李春漫, 代曉東, 楊法杰, 賈子麒, 常維純, 高艷清, 李國(guó)平 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司